ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Prof. dr hab. inż. Kazimierz LEJDA Mgr inż. Paweł WOJEWODA Politechnika Rzeszowska Zakład Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych

Przewiduje się, że w ciągu najbliższych lat liczba pojazdów samochodowych eksploatowanych w świecie wzrośnie z 700 milionów do 2,5 miliarda. Przyjmując, że wszystkie te pojazdy będą wykorzystywać wyłącznie silniki wewnętrznego spalania, to powstaje pytanie o możliwość utrzymania skażenia środowiska naturalnego na rozsądnym poziomie, a także o wystarczalność zasobów ropy naftowej. Jedną z odpowiedzi jest wprowadzenie do transportu drogowego pojazdów o napędzie niekonwencjonalnym, wykorzystujących wyłącznie silnik elektryczny zasilany z elektrochemicznego źródła energii elektrycznej (EV - Electric Vehicle) lub silnik elektryczny i silnik wewnętrznego spalania (HEV - Hybrid Electric Vehicle). Przewiduje się, że w ciągu najbliższych lat liczba pojazdów samochodowych eksploatowanych w świecie wzrośnie z 700 milionów do 2,5 miliarda. Przyjmując, że wszystkie te pojazdy będą wykorzystywać wyłącznie silniki wewnętrznego spalania, to powstaje pytanie o możliwość utrzymania skażenia środowiska naturalnego na rozsądnym poziomie, a także o wystarczalność zasobów ropy naftowej. Jedną z odpowiedzi jest wprowadzenie do transportu drogowego pojazdów o napędzie niekonwencjonalnym, wykorzystujących wyłącznie silnik elektryczny zasilany z elektrochemicznego źródła energii elektrycznej (EV - Electric Vehicle) lub silnik elektryczny i silnik wewnętrznego spalania (HEV - Hybrid Electric Vehicle). ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 1.WPROWADZENIE

2. PODZIAŁ NAPĘDÓW HYBRYDOWYCH szeregowy – silnik elektryczny, poprzez mechaniczny układ przeniesienia mocy, napędza koła pojazdu,szeregowy – silnik elektryczny, poprzez mechaniczny układ przeniesienia mocy, napędza koła pojazdu, równoległy – koła pojazdu napędzane są poprzez mechaniczny układ przeniesienia mocy z dwóch równoległych podukładów - silnika wewnętrznego spalania i silnika elektrycznego zasilanego poprzez konwerter z baterii akumulatorów,równoległy – koła pojazdu napędzane są poprzez mechaniczny układ przeniesienia mocy z dwóch równoległych podukładów - silnika wewnętrznego spalania i silnika elektrycznego zasilanego poprzez konwerter z baterii akumulatorów, szeregowo-równoległy (mieszany) – różni się tym od układu równoległego, że pomiędzy silnikiem wewnętrznego spalania a konwerterem umieszcza się prądnicę.szeregowo-równoległy (mieszany) – różni się tym od układu równoległego, że pomiędzy silnikiem wewnętrznego spalania a konwerterem umieszcza się prądnicę. ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH W pojazdach HEV możemy wyróżnić trzy podstawowe konfiguracje hybrydowych układów napędowych:

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 2. PODZIAŁ NAPĘDÓW HYBRYDOWYCH cd. Współcześnie produkowane hybrydowe pojazdy elektryczne (HEV) można podzielić na trzy klasy, różniące się funkcjonalnością: Micro Hybrid: Micro Hybrid: Pierwsza koncepcja systemu Micro firmy Bosch SES (Smart Electronic Start/Stopp System) – sterownik silnika przejmuje funkcję sterowania zmodyfikowanym rozrusznikiem, co odbywa się w zależności od życzenia kierowcy oraz na podstawie danych pochodzących z czujników, Pierwsza koncepcja systemu Micro firmy Bosch SES (Smart Electronic Start/Stopp System) – sterownik silnika przejmuje funkcję sterowania zmodyfikowanym rozrusznikiem, co odbywa się w zależności od życzenia kierowcy oraz na podstawie danych pochodzących z czujników, Druga koncepcja systemu Micro firmy Bosch o nazwie SPS (Smart Power System) – jest oparta na alternatorze z dwoma trybami pracy. Druga koncepcja systemu Micro firmy Bosch o nazwie SPS (Smart Power System) – jest oparta na alternatorze z dwoma trybami pracy. Mild Hybrid: Systemy Mild są wyposażone w silnik elektryczny o mocy kW. Ten stosunkowo nieduży silnik elektryczny oferuje dodatkową moc podczas wyprzedzania, tzw. efekt boost, a w połączeniu z silnikiem spalinowym o zmniejszonych wymiarach zapewnia oszczędność paliwa rzędu 30% i więcej. Mild Hybrid: Systemy Mild są wyposażone w silnik elektryczny o mocy kW. Ten stosunkowo nieduży silnik elektryczny oferuje dodatkową moc podczas wyprzedzania, tzw. efekt boost, a w połączeniu z silnikiem spalinowym o zmniejszonych wymiarach zapewnia oszczędność paliwa rzędu 30% i więcej. Strong Hybrid: System Strong oferuje także takie zalety jak system Mild jest jednak wyposażony w mocniejszy silnik elektryczny, zwykle o mocy ok. 50 kW i generując moment obrotowy (dochodzący do 350 Nm), zdecydowanie wydajniej wspomaga pracę silnika spalinowego. Strong Hybrid: System Strong oferuje także takie zalety jak system Mild jest jednak wyposażony w mocniejszy silnik elektryczny, zwykle o mocy ok. 50 kW i generując moment obrotowy (dochodzący do 350 Nm), zdecydowanie wydajniej wspomaga pracę silnika spalinowego.

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM Toyota Prius, pierwszy seryjnie produkowany pojazd o napędzie hybrydowym, był wprowadzony do sprzedaży w październiku 1997 roku. W 2004 roku jego sprzedaż utrzymała się na poziomie 58 tysięcy sztuk, lecz w 2005 uległa podwojeniu i wynosiła już ponad 100 tysięcy. Na rynku japońskim i amerykańskim sprzedano łącznie ok. 115 tys. tego modelu (i tylko 4 tys. w Europie, mimo zachęt podatkowych). Sprzedaż Toyoty Prius w Europie pozostaje nadal skromna, lecz na rynku amerykańskim pojazd jest po prostu rozchwytywany. Prezes koncernu, Fuji Cho, zapowiedział, że do końca 2010 roku Toyota wyprodukuje milion samochodów hybrydowych. Sprzedaż Toyoty Prius w Europie pozostaje nadal skromna, lecz na rynku amerykańskim pojazd jest po prostu rozchwytywany. Prezes koncernu, Fuji Cho, zapowiedział, że do końca 2010 roku Toyota wyprodukuje milion samochodów hybrydowych. Obecnie produkowane pojazdy z napędem hybrydowym można sklasyfikować w czterech kategoriach: Obecnie produkowane pojazdy z napędem hybrydowym można sklasyfikować w czterech kategoriach:

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd. Stop & Start 2006 GMC Sierra Hybrid 2006 Chevy Silverado Hybrid Hybrid Pickup Trucks 2006 Toyota Prius 2006 Honda Insight 2006 Honda Civic Hybrid 2006 Honda Accord Hybrid Hybrid Cars 2006 Citroën C3 Stop & Start 2006 Citroën C2 Stop & Start 2006 Toyota Highlander Hybrid 2006 Mercury Mariner Hybrid 2006 Mazda Tribute Hybrid 2006 Lexus RX 400h 2006 Ford Escape Hybrid Hybrid Sport Utility Vehicles (SUVs)

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.1. Pojazdy klasy Micro Hybrid z systemem Stop & Start 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd. Citroen C2 "Stop & Start" został wyposażony w silnik o pojemności 1,4 litra oraz mocy 90 KM. Połączony jest zautomatyzowaną skrzynią biegów SensoDrive oraz sterowanym elektronicznie alternatorem wraz z rozrusznikiem, który dostarcza energię elektryczną do instalacji pokładowej. Jego zaletą jest cisza podczas działania oraz dwa razy większa szybkość w porównaniu z konwencjonalnym alternatorem Jego zaletą jest cisza podczas działania oraz dwa razy większa szybkość w porównaniu z konwencjonalnym alternatorem System składa się z dwóch elementów głównych:  alternatora zespolonego z rozrusznikiem o mocy 2 kW pełniącego funkcje rozrusznika i alternatora (dostarczanie energii elektrycznej do instalacji pokładowej) montowanego w miejscu tradycyjnego alternatora,  modułu elektronicznego umożliwiającego całkowite sterowanie alternatorem i zapewniającego łączność z kalkulatorem silnika i z inteligentnym modułem sterującym.

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd Pojazdy klasy Mild Hybrid Rozrusznikoalternator Hondy Insight oraz układ napędowy Hondy Civic IMA Samochody firmy Honda są najbardziej znanymi przykładami pojazdów klasy Mild Hybrid. Po raz pierwszy Honda zaoferowała technologię hybrydową w modelu Insight w grudniu 1999 roku. Drugi model z napędem hybrydowym – Civic Hybrid (w Europie Civic IMA) firma wprowadziła w marcu 2002, a kolejny, pierwszy napęd hybrydowy V6, zastosowany został w modelu Accord Hybrid w grudniu Drugi model z napędem hybrydowym – Civic Hybrid (w Europie Civic IMA) firma wprowadziła w marcu 2002, a kolejny, pierwszy napęd hybrydowy V6, zastosowany został w modelu Accord Hybrid w grudniu Honda Civic Hybrid 2006, dzięki udoskonaleniom hybrydowej technologii IMA (Integrated Motor Assist – zintegrowane wspomaganie silnika), proponuje niższe zużycie paliwa i wyższe osiągi. Honda Civic Hybrid 2006, dzięki udoskonaleniom hybrydowej technologii IMA (Integrated Motor Assist – zintegrowane wspomaganie silnika), proponuje niższe zużycie paliwa i wyższe osiągi.

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd Pojazdy klasy Strong Hybrid Hybrydowy układ napędowy Lexusa RX 400h jest zbudowany bardzo podobnie, jak w przypadku wytwarzanej przez ten sam koncern Toyoty Prius, choć ma inne parametry. Różnica w konstrukcji polega na zastosowaniu drugiego silnika elektrycznego (50 kW/130 Nm), napędzającego w razie potrzeby (pogorszenie przyczepności, jazda po łuku, gwałtowne przyspieszanie) także koła tylne. Przestawienie na pracę w trybie 4x4 odbywa się automatycznie. Hybrydowy układ napędowy Lexusa RX 400h jest zbudowany bardzo podobnie, jak w przypadku wytwarzanej przez ten sam koncern Toyoty Prius, choć ma inne parametry. Różnica w konstrukcji polega na zastosowaniu drugiego silnika elektrycznego (50 kW/130 Nm), napędzającego w razie potrzeby (pogorszenie przyczepności, jazda po łuku, gwałtowne przyspieszanie) także koła tylne. Przestawienie na pracę w trybie 4x4 odbywa się automatycznie. Jednostka benzynowa 3.3 V6 VVT-i ma moc 155 kW i rozwija moment 288 Nm, napięcie robocze obu maszyn elektrycznych wynosi 650 V, moc „przedniej" 123 kW. Nominalne napięcie akumulatorów (zestaw liczy 30 ogniw) to 288 V. Jednostka benzynowa 3.3 V6 VVT-i ma moc 155 kW i rozwija moment 288 Nm, napięcie robocze obu maszyn elektrycznych wynosi 650 V, moc „przedniej" 123 kW. Nominalne napięcie akumulatorów (zestaw liczy 30 ogniw) to 288 V. Schemat układu przeniesienia napędu Lexusa RX 400h

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd Pojazdy klasy Strong Hybrid – zasada działania napędu Lexusa RX 400 h

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. REALIZACJE PRAKTYCZNE POJAZDÓW O NAPĘDZIE HYBRYDOWYM cd. 3.4 Pojazdy klasy Micro Hybrid z systemem Stop & Start z układami odzyskiwania energii hamowania Chevrolet Silverado Hybrid & GMC Sierra Hybrid Pickup Truck’s z zintegrowanym rozrusznikoalternatorem i z układem odzyskiwania energii hamowania Idea tego napędu oparta jest na alternatorze z dwoma trybami pracy. W trybie 14V alternator zasila konwencjonalną, pokładową sieć elektryczną, mocą elektryczną dochodzącą do 3 kW. W trybie 42V alternator wytwarza energię o mocy dochodzącej do 8kW i dostarcza prąd do dużych odbiorników, np. elektrycznie ogrzewanych szyb. Niewykorzystana energia jest doprowadzana przez przetwornik napięcia do sieci pokładowej. Ten wariant systemu Micro można połączyć z rekuperacyjnym hamulcem zasadniczym, który zamienia część energii hamowania na energię elektryczną i kumuluje ją w baterii o dużej pojemności

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 4. PODSUMOWANIE EurotaxGlass utrzymuje, iż producenci samochodów powinni odnaleźć wszystkie różnice dzielące rynek amerykański od europejskiego, by wykorzystać napędy hybrydowe. Obserwuje się zainteresowanie produkcją silników hybrydowych, wiele firm nawiązało współpracę w tej dziedzinie, a także duża ilość nowych modeli została zaprezentowana w ostatnich kilku miesiącach przez czołowe koncerny. Jednakże przygotowywane modele wykazują duże odchylenie w stronę gustów zza oceanu, gdzie duże i luksusowe samochody są faworyzowane. To może mieć sens dla rynku amerykańskiego, gdzie diesel nie spełniał oczekiwań, ale w Europie sprzedaż takich samochodów nie stanowi jeszcze wystarczającego zainteresowania EurotaxGlass utrzymuje, iż producenci samochodów powinni odnaleźć wszystkie różnice dzielące rynek amerykański od europejskiego, by wykorzystać napędy hybrydowe. Obserwuje się zainteresowanie produkcją silników hybrydowych, wiele firm nawiązało współpracę w tej dziedzinie, a także duża ilość nowych modeli została zaprezentowana w ostatnich kilku miesiącach przez czołowe koncerny. Jednakże przygotowywane modele wykazują duże odchylenie w stronę gustów zza oceanu, gdzie duże i luksusowe samochody są faworyzowane. To może mieć sens dla rynku amerykańskiego, gdzie diesel nie spełniał oczekiwań, ale w Europie sprzedaż takich samochodów nie stanowi jeszcze wystarczającego zainteresowania Nadal największym problemem dotyczącym produkcji silników hybrydowych jest wysoka cena oraz złożony proces produkcyjny. Niestety, silniki te nie pozwalają radykalnie obniżyć emisji toksyn, ani też zmaksymalizować ekonomiczności spalania. Są one tylko częściową alternatywą dla benzyny i oleju napędowego.

ANALIZA KONSTRUKCYJNA WSPÓŁCZESNYCH HYBRYDOWYCH UKŁADÓW NAPĘDOWYCH W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ